Литий-ионный аккумулятор, новая технология

Новая технология литий-ионных аккумуляторов: акцент на большие цилиндры, длинные сердечники и другие инновационные возможности

1. Разработка аккумуляторов: основное направление — сверхбыстрая зарядка, безопасность и другие характеристики; сосредоточиться на больших цилиндрах, длинных ячейках и других структурных инновациях

1.1 Тенденции производительности аккумуляторов: планировка завода по производству аккумуляторов с высоким коэффициентом использования энергии, сверхбыстрая зарядка и безопасность, а также другие технические направления.

Ningde Time, BYD и другие основные заводы по производству аккумуляторов ориентируются на технологии с высоким коэффициентом использования энергии, сверхбыстрой зарядки и безопасности аккумуляторов, а путь реализации включает структурные инновации, инновации в материалах и т. д.

    Ningde Times, ведущий завод по производству аккумуляторов, выделил шесть направлений, таких как высокий коэффициент использования энергии, сверхбыстрая зарядка и настоящая безопасность, а типы технологий включают структурные инновации, инновации в материалах и инновации в управлении. По данным официального сайта Ningde Times, мы видим, что Ningde Times изложила шесть направлений структурных инноваций, материальных инноваций и инноваций в управлении, а именно: высокая удельная энергия, длительный срок службы, сверхбыстрая зарядка, настоящая безопасность, самообслуживание. контроль температуры и интеллектуальное управление. Возьмем, к примеру, сверхбыструю зарядку. Сверхбыстрая зарядка Ningde Time подразумевает самую быструю зарядку от 5 минут до 80%, с точки зрения конструкции используются многоградиентный полюсный наконечник и метод с несколькими ушами, в частности:① многоградиентный полюсный наконечник: регулируя градиентное распределение пористой структуры полюсного наконечника, верхний слой структуры с высокой пористостью, нижний слой структуры с твердой плотностью высокого давления, прекрасно принимая во внимание двойное ядро ​​с высокой плотностью энергии и супер быстрая зарядка;② Многоушковое: развитие многомерного пространства (2) Многослойное: разработка технологии многомерных пространственных наконечников, которая значительно улучшает текущую несущую способность полюсного наконечника и преодолевает техническое узкое место, связанное с высоким повышением температуры батареи. аккумулятор во время прямой зарядки током 500 А.

1.2 Новый тип батарей/инновационная структура: большие цилиндрические, длинные элементы и т. д. являются важными направлениями планировки для заводов по производству аккумуляторов.

Мы изучили форму аккумуляторов, прогресс массового производства, индекс производительности и выгодные характеристики крупнейших заводов по производству аккумуляторов, которые активно разрабатывают новые формы аккумуляторов, такие как большие цилиндры и длинные элементы. Возьмем, к примеру, Honeycomb Energy: второе поколение ее ламинированных длинных тонких ячеек L600 завершило разработку и, как ожидается, будет запущено в массовое производство в Q3 2022; Что касается индекса производительности, емкость одиночного элемента L600 увеличилась до 196 Ач, плотность энергии составляет более 185 Втч/кг, а объемная плотность энергии составляет более 430 Втч/л, что имеет такие преимущества, как высокая совместимость, высокая адаптируемость, высокая безопасность. и долгая жизнь.

(2) Большие цилиндрические батареи: Tesla, BAK, EVERLIGHT и другие заводы по производству аккумуляторов выпускают большие цилиндрические батареи. Возьмем, к примеру, Tesla: батарея 4680 использует катод с высоким содержанием никеля + кремний-углеродный катодный материал и технологию безэлектродных наконечников, с плотностью энергии 300 Втч/кг, емкость батареи в 5 раз выше, чем у текущего решения 2170, а выходная мощность в 6 раз выше. Кроме того, он имеет преимущества в плотности энергии, мощности и эффективности зарядки.

2. Большие цилиндрические: ожидается расширение применения лазеров; высокие требования к точности оборудования

2.1 Большая цилиндрическая батарея. Возьмем, к примеру, Tesla 4680. Технические инновации, такие как сухой электрод и безэлектродный наконечник, заслуживают внимания.

Согласно документу, цилиндрическая батарея 4680 является дальнейшим структурным новшеством цилиндрической батареи от меньшей модели 1865 до 2170. По сравнению с ранее использовавшейся батареей 2170, батарея 4680 значительно снижает выделение тепла, решает проблему рассеивания тепла из-за высокой плотности энергии. элементов и увеличивает пиковую мощность зарядки и разрядки, в результате чего батарея 4680 получает в 5 раз больше энергии и в 6 раз больше мощности, чем батарея 2170, при этом снижается стоимость на 14% и увеличивается дальность действия на 16%.

С точки зрения структурных инноваций и производственного процесса, 4680 имеет три основных технологических новшества по сравнению с предыдущими батареями — процесс с сухими электродами, без выступов (все выступы) и технологию CTC, — которые привели к снижению затрат на производство элементов и большему повышению производительности. Возьмем, к примеру, технологию без наконечников: конструкция ячейки 4680 превращает весь коллектор в наконечники, токопроводящий путь больше не зависит от наконечников, а передача тока изменяется с поперечной передачи вдоль наконечников к пластине коллектора на продольную передачу в коллектор, снижающий сопротивление до 2мΩ и внутреннее сопротивление потребления от 2 Вт до 0,2 Вт.

2.2 Сухой электродный процесс: низкая стоимость по сравнению с традиционным мокрым процессом, основная часть заключается в рецептуре электрода и оборудовании для экструзии пленки.

Технология сухих электродов Maxwell подходит для современной химии литиевых батарей и новых передовых электродных материалов, в производственном процессе не используется растворитель, и ее можно распространить на рулонное производство, а основной технологией является рецептура электродов и формирование пленки. экструзионное оборудование.

(1) Согласно статье «Технология нанесения покрытия сухим электродом», написанной Хие Дуонгом, Джуном Шином и Юди Юди, технология сухих электродов Максвелла состоит из трех этапов: (i) смешивание сухого порошка, (ii) формование порошка для получения тонкого покрытия, (iii) ) тонкое покрытие и прессование для сбора жидкости, все три этапа не содержат растворителей. Технология Maxwell с сухим электродом масштабируется для современных химических процессов литий-ионных аккумуляторов и новых материалов для электродов аккумуляторных батарей; в частности, запатентованный сухой процесс Maxwell используется для смешивания порошка с образованием окончательной порошковой смеси активных материалов, связующих и проводящих добавок, которая экструдируется и каландрируется для получения порошковой смеси. электродная пленка с покрытием, которую также можно сматывать в рулоны. Наконец, тонкий слой электрода сжимается вместе с коллекторной жидкостью, образуя электрод батареи.

(2) Что касается преимуществ, согласно статье «Технология нанесения покрытия сухим электродом» Хье Дуонга, Джуна Шина и Юди Юди, процесс сухого электрода Максвелла может применяться к классическим и современным материалам аккумуляторов и может быть распространен на катушку. -катушное производство по сравнению с традиционными мокрыми электродами. (3) Что касается базовой технологии, по данным Battery World Online, основной технологией процесса сухого электрода Maxwell является рецептура электродов, технология и оборудование для экструзии пленкообразующей продукции.

Кроме того, сухие электроды могут быть изготовлены различными методами, такими как импульсное лазерное напыление и напыление, которые требуют дополнительного процесса отжига пленки по сравнению с процессами мокрого и сухого электродов Максвелла. Согласно статье «Производство электродов для литий-ионных батарей без растворителей» Брэндона Людвига, Чжанфэна Чжэна, Ван Шоу, Яна Вана и Хэн Пана, в отличие от процесса подготовки мокрых электродов, сухие электроды могут быть изготовлены с помощью импульсного лазерного осаждения. Процесс сухого электрода может быть достигнут различными методами, такими как импульсное лазерное осаждение и напыление, которое не требует сушки, но требует дополнительного отжига тонких пленок из-за высокой температуры, вызванной импульсным лазерным осаждением. Предлагаемый в данной работе процесс подготовки электродов заключается в следующем.

(1) Процесс подготовки мокрого электрода① Процесс литья пасты: электроды литиевой батареи изготавливаются путем литья пасты (содержащей активный материал в растворителе, проводящий углерод и связующее вещество) на металлический коллектор. Наиболее распространенным связующим является ПВДФ (предварительно растворенный в растворителе НМП), полученную суспензию перемешивают и заливают на коллектор, который необходимо высушить для испарения растворителя и получения сухого пористого электрода. Сушка занимает много времени, обычно 12-24 часов при 120°С.степеньC. Кроме того, поскольку NMP является дорогостоящим и загрязняющим, необходимо установить систему рекуперации для восстановления испарившегося NMP во время процесса сушки (что требует значительных капиталовложений).

Электростатическое осаждение распылением на основе растворителя: электродный материал наносится на коллектор с использованием электростатического осаждения распылением на основе растворителя, т.е. осажденный материал распыляется в сопле и наносится на коллектор; электроды, сконструированные таким способом, обладают свойствами, аналогичными электродам, отлитым из суспензии, с тем же недостатком, заключающимся в необходимости интенсивного процесса сушки, который также требует времени и энергии (2 часа при 400°С).степеньС). Литиевые батареи также производятся методом распыления, при котором каждый блок электродов напыляется на нужную поверхность с использованием покрытия на основе NMP, которое все равно требует испарения растворителя.

(2) Процесс подготовки сухих электродов осуществляется различными методами, такими как импульсное лазерное напыление и напыление. Импульсное лазерное осаждение достигается путем фокусировки лазера на мишени, содержащей наносимый материал, и как только лазер попадает на мишень, материал испаряется и осаждается на коллекторе; хотя растворитель не используется, нанесенная пленка должна выдерживать температуры 650-800степеньС, а магнетронное напыление позволяет снизить необходимую температуру отжига до 350степеньC. Этот метод типичен для изготовления электродов с сухими элементами, но скорость осаждения низкая и требует высокотемпературного отжига.

Процесс с сухим электродом дешевле традиционного мокрого процесса, главным образом с точки зрения затрат на рабочую силу, инвестиций в оборудование и производственных площадей. Согласно статье «Производство электродов для литий-ионных батарей без растворителей», написанной Брэндоном Людвигом, Чжанфэн Чжэн, Ван Шоу, Ян Ван и Хэн Пан, например, сценарий проектирования батарей 1. Например, производство сухих электродов составляет 21,6%. , на 14,2% и 13,1% меньше прямых трудозатрат, стоимости оборудования и площади завода соответственно, чем при производстве мокрых электродов, при условии, что в год производится 100000 элементов.

2.3 Технология без выступов (все наконечники): уменьшает внутреннее сопротивление аккумулятора, увеличивает объем лазерной сварки, предъявляет высокие требования к точности оборудования.

(все-ушная) технология позволяет значительно снизить сопротивление и внутреннее сопротивление аккумулятора. Согласно статье Юлонга Чжао «Сканирование технологии Power Battery 4680 Full Lug»: 1) Традиционная цилиндрическая батарея: положительная и отрицательная медная фольга и диафрагма из алюминиевой фольги уложены и намотаны, а на каждом конце меди приварен направляющий провод (наконечник). фольга и алюминиевая фольга для вывода электрода. (2) батарея 4680: весь коллектор превращен в наконечник, проводящий путь больше не зависит от наконечника, ток передается от поперечной передачи вдоль наконечника к коллектору к продольной передаче коллектора, вся проводящая длина изменена с 800-1000 мм длины медной фольги 1860 или 2170 на Вся проводящая длина изменена с 800-1000 мм длины медной фольги 1860 или 2170 на 80 мм (высота ячейки), что снижает сопротивление до 2мΩ а потребление внутреннего сопротивления от 2Вт до 0.2Вт, на порядок ниже.

Конструктивные особенности: площадь контакта/проводимости наконечника на одном конце ячейки равна/больше площади коллектора. Согласно патенту Теслы «без выступов», на который цитируется официальный общедоступный номер GaoGong Lithium в WeChat, он описывает по крайней мере один электрод как крепление батареи без выступов, а именно: 1) Нижний уровень сердечника: конец коллектора остается белым и не имеет покрытия. с положительными/отрицательными материалами, где коллекторную часть можно понимать как обобщенный наконечник Тесла. Ключ к конструкции «без наконечников» заключается в том, что площадь проводимости наконечника точно такая же, как у коллектора, или даже площадь контакта наконечника и площадь проводимости. больше, чем площадь проводимости коллектора, благодаря разнообразной конструкции крышки; 2) верхний уровень сердечника: если используется только один электрод без наконечника, верхний конец остается таким же, как у сердечника 18650, 21700. Согласно патентному анализу, только один конец соединения без наконечника может обеспечить эффект снижения внутреннего сопротивления в 5 раз.

(1) Производственный процесс: Согласно официальному общедоступному номеру WeChat Сети автомобильных материалов, который цитируется в Automotive Home, существует два производственных процесса для индукционных наконечников, т.е. сначала резка, а затем намотка, и сначала намотка, а затем лазерная штамповка. резка, в частности:① Сначала резка, а затем намотка: благодаря точному расчету материал перед намоткой разрезается на множество частей. Когда обмотка достигает заданной энергии, производится сварка. Лазерная высечка после намотки: материал наматывается напрямую независимо от ширины и размера, а лазерная высечка производится на лишнем материале после достижения заданной энергии, что требует высокой точности.

(2) Требования к оборудованию: Согласно официальному публичному номеру WeChat Сети автомобильных материалов со ссылкой на публичный номер WeChat Auto House и GaoGong Lithium, с точки зрения производственного оборудования, в рамках технологии непроизводительного производства происходят серьезные изменения в трех аспектах. -полюсный наконечник (всеполярный наконечник), а именно:① процесс нанесения покрытия: определенная изогнутая форма всеполярного наконечника предъявляет более высокие требования к точности оборудования, а пустое пространство на внешнем кольце будет все больше и больше, чем белое пространство на внутреннем кольце;② режущее оборудование: требования к процессу лазерной высечки выше. (2) режущее оборудование: более высокие требования к процессу лазерной высечки и зазоры в слое материала из-за неровных режущих кромок; (3) лазерная сварка: количество сварных соединений при лазерной точечной сварке всех наконечников увеличено более чем в пять раз по сравнению с 21700. В частности, в зависимости от процесса сварки, например, согласно статье Чжао Юлонга «Power Battery 4680 Full». содержимое «сканирования технологии выступов», полный выступ и коллекторная пластина или соединение оболочки, требования к технологии лазерной сварки выше, в частности, от традиционной точечной сварки с двумя выступами до полной поверхностной сварки выступов, процесс сварки и объем сварки стали больше, интенсивность лазера и фокусное расстояние нелегко контролировать, его легко приварить через прожженную внутреннюю часть сердечника или вообще без сварки; Кроме того, некоторые компании предлагают использовать для токоприемника запрессовку, а не патенты на сварку.

Мы возьмем технологию CTC Tesla в качестве примера и проанализируем ее следующим образом: 1) В отличие от аккумуляторной батареи 2170, которая состоит из четырех модулей, аккумуляторная батарея 4680 использует технологию CTC, и аккумуляторная батарея действует как опорная плита автомобиля. Согласно официальному сайту InsideEV, судя по поперечному сечению аккумуляторной батареи новой конструкции Model Y, показанной во время экскурсии по заводу Giga Berlin в октябре 2021 года, аккумуляторная батарея 4680 напрямую исключает конструкцию модуля и использует технологию CTC, которая плотно размещена в Шасси автомобиля, то есть нижняя часть модели Y, оснащенной аккумуляторным блоком 4680, имеет выемку, а аккумуляторный блок выполняет функцию днища кузова. Аккумуляторный блок служит днищем кузова. Напротив, аккумулятор 2170 в модели Y имеет четыре модуля — два коротких и два длинных. И наша компания по производству аэрокосмического лития также основана на мастерстве технологии больших цилиндрических аккумуляторов и также является отдаленным лидером:http://www.optimum-china.com